Risale al 1997 la prima dimostrazione sperimentale che gli stati quantistici possono essere teletrasportati da un luogo all’altro, un risultato che ha avuto enormi conseguenze per lo sviluppo della comunicazione quantistica e dell’informatica
di Nicolas Gisin / Nature
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Chi non ha mai sognato di sperimentare il teletrasporto? Soprattutto se ci si trova bloccati in un ingorgo stradale. Essere smaterializzati e ricostituiti in un luogo lontano suona meraviglioso e impossibile. Ma è davvero impossibile?

È vero, un corpo fatto di materia non può semplicemente sparire qui e ricomparire là senza percorrere la distanza intermedia. Ma un oggetto non è solo materia, è anche struttura, sostanza e forma, come ci ha insegnato Aristotele molto tempo fa; particelle e stati quantistici, come direbbero oggi i fisici.

Vent’anni fa, Danilo Boschi e colleghi, alla Sapienza di Roma, e Dik Bouwmeester e colleghi, in Austria, usarono questa idea per realizzare i primi esperimenti di teletrasporto quantistico, che portarono a grandi progressi nell’informatica quantistica.

Nel 1993, un gruppo di fisici teorici stava affrontando due argomenti all’epoca piuttosto screditati: l’entanglement e la non-località. L’entanglement è un fenomeno in cui due o più particelle quantistiche condividono uno stato comune in un modo tale da impedire che ciascuna particella posaa essere descritta in modo indipendente. La non-località si riferisce all’osservazione che le particelle quantistiche spazialmente separate si comportano in modi che sfidano la nostra intuizione sullo spazio e sul tempo.

Improvvisamente, i teorici si resero conto che una coppia di particelle entangled poteva essere usata per teletrasportare uno stato quantistico da una posizione a un’altra posizione distante, anche se il mittente non conosceva lo stato quantistico o la posizione del ricevente.

Durante il processo di teletrasporto, la materia nella posizione del mittente avrebbe perso la sua struttura, che sarebbe stata acquisita dalla materia non strutturata nella posizione del destinatario. Lo stato quantistico sarebbe quindi scomparso dal mittente per riapparire dal ricevente.

Si noti che questo processo non crea una copia dello stato quantistico perché lo stato al mittente è distrutto, come è richiesto da un principio noto come teorema del no-cloning quantistico.

Oltre alle due particelle entangled, il processo di teletrasporto avrebbe richiesto che il mittente trasmetta una piccola quantità di informazioni classiche (non quantistiche). Nell’usuale caso di uno stato quantistico parametrizzato da due numeri ordinari (reali), sarebbero necessari solo due bit  ossia una quantità di informazioni molto minore rispetto alla descrizione classica dello stato quantistico. Questa informazione classica avrebbe garantito che l’intero processo non corresse più rapidamente della velocità della luce.

I teorici coniarono il termine “teletrasporto quantistico” (qui l’infografica di “Nature” che lo illustra) e i giornalisti lo diffusero in tutto il mondo. Ma ritengo che il termine non rappresenti solo un’ottima operazione di pubbliche relazione, bensì che descriva fedelmente ciò che accade: un oggetto scompare nel senso che si trasforma in una “polvere” non strutturata, e la “polvere” lontana acquisisce l’esatta (e forse sconosciuta) struttura dell’oggetto.

La piena comprensione del teletrasporto quantistico è difficile e il concetto inizialmente ha portato a una certa confusione. Per esempio, una volta sono stato invitato a una conferenza su come ridurre gli ingorghi nel traffico. Gli esperti di informazione quantistica però hanno capito rapidamente il concetto e raccolto la sfida di dimostrare il teletrasporto quantistico in un esperimento.

Il problema principale da superare era la realizzazione di una misurazione dello stato di Bell, vale a dire una misurazione congiunta di due stati quantistici: lo stato da teletrasportare e lo stato di una delle particelle entangled. L’obiettivo è acquisire informazioni sulla relazione tra i due stati, senza ottenere alcuna informazione sugli stati stessi, una misurazione paragonabile alla misurazione dell’angolo tra due frecce che si toccano, senza sapere nulla sulle direzioni in cui queste frecce puntano.

Questo è possibile solo nel mondo quantistico, sfruttando un altro aspetto dell’entanglement. Oggi sappiamo che è impossibile eseguire una misurazione completa dello stato di Bell usando solo ottiche lineari (per le quali l’intensità della luce non è abbastanza elevata perché si verifichi la creazione di fotoni).

Nell 1997, quattro anni appena dopo la scoperta teorica, due gruppi riuscirono nell’impresa del teletrasporto quantistico. Il primo fu quello di Danilo Boschi, allora all’Università “La Sapienza” di Roma, e colleghi, seguito solo pochi mesi dopo dal gruppo di Bouwmeester, in Austria.

Sandu Popescu, dell’Università di Cambridge e membro del team italiano, ebbe l’idea di codificare i due stati quantistici coinvolti nella misurazione dello stato di Bell in un unico fotone. Harald Weinfurter, dell’Università di Innsbruck e membro del team austriaco, scoprì come eseguire una misurazione (parziale) dello stato di Bell su due fotoni indipendenti.

Alcune delle strumentazioni utilizzate durante un esperimento di entanglement presso l’università di Vienna, nel 2003 (SPL/AGF)

Anche se Boschi e colleghi sono stati i primi a dimostrare il teletrasporto quantistico, la lotteria del processo di referaggio fece sì che il lavoro di Bouwmeester e colleghi venisse pubblicato per primo. Questo avrebbe potuto scatenare una feroce battaglia, che avrebbe devastato la nascente comunità degli informatici quantistici.

Fortunatamente, c’ era abbastanza lavoro e creatività da tenere tutti occupati. Lo stesso anno, un gruppo di scienziati si riunì in Finlandia avviando progetti europei dedicati alla scienza dell’informazione quantistica. Io ero lì e potei quindi contribuire, insieme a diversi colleghi, a questi progetti di grande successo. Questo lavoro ha portato all’attuale programma di ricerca nelle tecnologie quantistiche varato dalla Commissione europea, che è il più grande programma scientifico d’Europa.

Dal 1997, il teletrasporto quantistico è diventato una parte importante della scienza dell’informazione quantistica. Per esempio, ci si è resi conto che il processo poteva consentire la comunicazione quantistica su distanze arbitrariamente grandi, grazie a dispositivi chiamati ripetitori quantistici, o la comunicazione nello spazio. Pochi mesi fa è stato dimostrato il teletrasporto quantistico tra un satellite e una stazione terrestre in Cina, su distanze fino a 1200 chilometri.

Nel teletrasporto quantistico ci sono tre distanze chiave: dal mittente all’analizzatore dello stato di Bell (il dispositivo che esegue la misurazione dello stato di Bell), dalla sorgente di fotoni entangled all’analizzatore dello stato di Bell, e dalla sorgente di fotoni entangled al ricevente.

La maggior parte degli esperimenti ha cercato di massimizzare l’ultima di queste distanze perché è la più facile da ottenere, anche se un esperimento ha preso in considerazione tutte e tre le distanze. Altri lavori hanno suggerito di sfruttare il teletrasporto su distanze estremamente brevi (pochi millimetri), ma usando un gran numero di stati quantistici. Ciò potrebbe accelerare enormemente l’elaborazione delle informazioni nei computer quantistici rispetto a quanto sarebbe altrimenti possibile.

A vent’ anni dalle prime dimostrazioni sperimentali, il teletrasporto quantistico è uno strumento che permetterà alla fiorente comunità di fisici, ingegneri, informatici e matematici di lavorare insieme per sviluppare la prossima generazione di sistemi di comunicazione quantistica e di computer quantistici.

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Nicolas Gisin è direttore di ricerca al GAP (Group of Applied Physics) dell’Università di Ginevra, in Svizzera.

(L’originale

di questo articolo è stato pubblicato su Nature il 6 dicembre 2017. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)